Luận Văn Thạc Sĩ Về Cân Bằng Điện Thế Điểm Trung Tính Trong Biến Tần NPC 3 Bậc

Tổng hợp kiến thức Cân Bằng Điện Thế Điểm Trung Tính Trong Biến Tần NPC 3 Bậc Sử Dụng Zero Sequence, tiếp cận khoa học, hỗ trợ học tập và nghiên cứu

• Tác giả: Lê Văn Mạnh Giàu
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Cân Bằng Điện Thế Điểm Trung Tính Trong Biến Tần NPC 3 Bậc Sử Dụng Zero Sequence Voltage
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI
• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố
• 1.1.1. Các kết quả trong và ngoài nước đã công bố
• 1.2. Mục tiêu, khách thể và đối tượng nghiên cứu
• 1.2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.3. Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Bộ nghịch lưu NPC
• 2.1.1. Bộ nghịch lưu NPC 2 bậc
• 2.1.1.1. Phân tích mạch
• 2.1.1.2. Điện áp ngõ ra thay đổi tuyến tính theo tín hiệu điều khiển
• 2.2. Bộ nghịch lưu NPC 3 bậc
• 2.3. Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu đa bậc
• 2.3.1. Phương pháp SinPWM
• 2.3.2. Phương pháp Switching frequency optimal PWM (SFO-PWM)
• 2.3.3. Phương pháp Space vector modulation (SVM)
• 3. CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TỤ
• 3.1. Hiện tượng mất cân bằng điện áp tụ
• 3.2. Nguyên nhân mất cân bằng điện áp trên tụ
• 3.3. Kỹ thuật điều khiển cân bằng điện áp tụ
• 3.3.1. Nguyên lý cân bằng điện áp tụ
• 3.3.2. Lưu đồ giải thuật cân bằng điện áp tụ
• 3.3.3. Mô hình bộ nghịch lưu NPC có áp dụng kỹ thuật cân bằng điện áp tụ
• 3.3.3.1. Khối tạo các điện áp thứ tự không (Voff-Zero Sequence)
• 3.3.3.2. Khối tạo các chuỗi xung kích
• 3.4. Kết quả mô phỏng
• 3.5. Các thông số ảnh hưởng tới cân bằng điện áp trên tụ
• 3.5.1. Sự ảnh hưởng của chỉ số điều chế
• 3.5.2. Sự ảnh hưởng của hệ số công suất tải
• 3.5.3. Sự ảnh hưởng của điện dung của tụ điện
• 3.6. So sánh với các phương pháp đã công bố ở Việt Nam
• 3.7. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Phụ lục 1: Các kết quả mô phỏng
• Phụ lục 2: So sánh các phương pháp đã công bố

Tóm tắt

I. Tổng quan

Trong bối cảnh hiện nay, cân bằng điện thế là một vấn đề quan trọng trong các hệ thống điện, đặc biệt là trong các bộ biến tần NPC 3 bậc. Việc duy trì điểm trung tính ổn định giúp giảm thiểu các hài không mong muốn và tăng hiệu suất hoạt động của hệ thống. Bài viết này sẽ trình bày về kỹ thuật cân bằng điện áp cho các tụ điện trong bộ biến tần NPC 3 bậc thông qua việc sử dụng zero sequence voltage. Kỹ thuật này không chỉ giúp cải thiện chất lượng điện áp đầu ra mà còn giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình hoạt động.

1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Nghiên cứu về cân bằng điện áp trong các bộ biến tần đã được thực hiện rộng rãi. Trong nước, nhiều tác giả đã đề xuất các phương pháp điều khiển PWM để duy trì sự cân bằng giữa các tụ điện. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng hàm offset có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của bộ biến tần. Ngoài nước, các phương pháp điều khiển closed-loop đã được phát triển để đảm bảo cân bằng điện áp mà không cần thêm phần cứng. Những nghiên cứu này đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của các phương pháp điều khiển hiện đại trong việc duy trì điện áp trung tính.

II. Cơ sở lý thuyết

Bộ nghịch lưu NPC 3 bậc là một trong những cấu trúc phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp. Cấu trúc này cho phép điều khiển điện áp đầu ra một cách linh hoạt và hiệu quả. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn nhất là duy trì sự cân bằng điện áp giữa các tụ điện. Việc sử dụng zero sequence voltage trong điều khiển PWM đã được chứng minh là một giải pháp hiệu quả. Kỹ thuật này cho phép điều chỉnh tín hiệu điều khiển để đảm bảo rằng điện áp trên các tụ điện luôn ở mức ổn định, từ đó giảm thiểu các hài và tổn thất năng lượng.

2.1. Nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu NPC

Bộ nghịch lưu NPC hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển điện áp bằng cách sử dụng các tín hiệu PWM. Khi áp dụng zero sequence voltage, tín hiệu điều khiển được điều chỉnh để đảm bảo rằng điện áp trên các tụ điện luôn được cân bằng. Điều này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của bộ biến tần mà còn giảm thiểu các vấn đề liên quan đến sự mất cân bằng điện áp. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng kỹ thuật này có thể làm giảm đáng kể độ méo sóng và tăng cường độ tin cậy của hệ thống.

III. Kỹ thuật điều khiển cân bằng điện áp

Kỹ thuật điều khiển cân bằng điện áp trong bộ biến tần NPC 3 bậc sử dụng zero sequence voltage là một phương pháp tiên tiến. Kỹ thuật này cho phép điều chỉnh tín hiệu điều khiển một cách linh hoạt, từ đó duy trì sự cân bằng điện áp giữa các tụ điện. Việc áp dụng phương pháp này không chỉ giúp cải thiện chất lượng điện áp đầu ra mà còn giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình hoạt động. Các mô phỏng trong môi trường MATLAB/SIMULINK đã chứng minh tính hiệu quả của phương pháp này trong việc duy trì cân bằng điện áp.

3.1. Mô hình và kết quả mô phỏng

Mô hình bộ biến tần NPC 3 bậc được xây dựng trong MATLAB/SIMULINK cho phép kiểm tra hiệu quả của kỹ thuật cân bằng điện áp. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc sử dụng zero sequence voltage giúp duy trì điện áp trên các tụ điện ở mức ổn định, từ đó giảm thiểu các hài không mong muốn. Điều này chứng tỏ rằng kỹ thuật này có thể được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống điện hiện đại để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong hệ thống truyền động điện công nghiệp hiện đại, các bộ biến tần trung áp chiếm hơn 60% thị phần tại các ứng dụng công suất lớn như máy nghiền, máy bơm công nghiệp và quạt thông gió hầm lò. Cấu trúc biến tần 3 bậc kẹp diode (Neutral Point Clamped - NPC) mang lại ưu thế vượt trội khi giảm định mức ứng suất điện áp dv/dt trên từng linh kiện bán dẫn xuống 50% so với biến tần 2 bậc truyền thống. Tuy nhiên, sự mất đối xứng trong quá trình nạp và xả của các tụ điện phân áp DC-link dẫn đến hiện tượng mất cân bằng điện thế tại điểm trung tính. Độ lệch điện áp này kích hoạt các thành phần sóng hài bậc chẵn không mong muốn, đặc biệt là sóng hài bậc 2 với biên độ lên tới 3.0%, làm gia tăng tổn hao nhiệt từ 15% đến 20% và gây dao động mô-men xoắn bất thường trên trục động cơ không đồng bộ.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng và kiểm chứng giải thuật cân bằng điện thế điểm trung tính cho biến tần NPC 3 bậc thông qua kỹ thuật tiêm điện áp thứ tự không (Zero-Sequence Voltage - ZSV) kết hợp điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang (Carrier-Based PWM - CB-PWM). Đề tài tập trung giải quyết triệt để sự mất cân bằng điện áp giữa hai tụ DC-link mà không cần lắp đặt thêm mạch phần cứng phụ trợ. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện thông qua mô hình hóa toán học và khảo sát mô phỏng miền thời gian trên hệ thống nguồn một chiều 120V, tần số sóng mang 5 kHz và tần số ngõ ra định mức 50 Hz tại phòng thí nghiệm chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử. Kết quả nghiên cứu đóng vai trò quan trọng trong việc triệt tiêu độ lệch áp điểm trung tính về 0V, giảm hệ số méo hài tổng dòng điện xuống dưới 1.5% và nâng cao hiệu suất vận hành toàn hệ thống lên trên 98%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết mạch nghịch lưu đa bậc kẹp diode (NPC Inverter) ba pha ba bậc, lý thuyết điều chế vector không gian (Space Vector Modulation - SVM) với kỹ thuật ba vector gần nhất (Nearest Three Vector - NTV-SVM) và lý thuyết điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang (CB-PWM). Cấu trúc liên kết NPC 3 bậc sử dụng 12 khóa bán dẫn IGBT kết hợp 6 diode kẹp, chia nguồn điện áp một chiều $V_{dc}$ thành hai mức điện áp bằng nhau thông qua hai tụ điện $C_1$ và $C_2$. Hệ thống tạo ra 27 trạng thái đóng ngắt tương ứng với 19 vector không gian điện áp trên mặt phẳng phức $\alpha-\beta$, bao gồm vector không, vector lớn, vector trung bình và các cặp vector ngắn có trạng thái trùng lặp.

Khung phân tích tập trung vào năm khái niệm chuyên ngành then chốt:

1. Điểm trung tính (Neutral Point - NP): Điểm đấu nối chung giữa hai tụ điện DC-link, nơi đóng vai trò làm mốc điện thế tham chiếu 0V cho các pha tải.
2. Dòng điện điểm trung tính ($i_{NP}$): Dòng điện chảy trực tiếp vào hoặc ra khỏi điểm trung tính, là nguyên nhân trực tiếp làm thay đổi điện tích và gây mất cân bằng điện áp trên các tụ điện.
3. Trạng thái trùng lặp của vector ngắn (Redundant Short Vectors): Các cặp vector tạo ra cùng một mức điện áp dây ngõ ra nhưng tạo dòng $i_{NP}$ có cực tính hoàn toàn trái dấu nhau.
4. Điện áp thứ tự không ($v_{offset}$): Điện áp bù được cộng trực tiếp vào tín hiệu điều chế hình sin ba pha nhằm điều khiển điểm kẹp mức điện áp của từng pha.
5. Chỉ số điều chế biên độ ($m$): Tỷ số giữa biên độ sóng điều chế và biên độ sóng mang tam giác, quyết định trực tiếp đến giá trị điện áp hài cơ bản ngõ ra.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa giải tích toán học mạch tương đương và mô phỏng số miền thời gian trên phần mềm MATLAB/Simulink. Dữ liệu nghiên cứu được thu thập từ mô hình giải tích 27 trạng thái chuyển mạch của bộ biến đổi NPC 3 bậc kết nối với tải trở - cảm (R = 10 Ohm, L = 0.012 H) đấu hình sao. Phương pháp phân tích vector không gian được ứng dụng để phân chia mặt phẳng pha thành 6 sector độc lập, từ đó thiết lập ma trận quan hệ giữa dòng trung tính cục bộ và tín hiệu điều chế tương đương.

Nghiên cứu thiết lập cỡ mẫu khảo sát toàn diện gồm 100 kịch bản vận hành thông qua phương pháp lấy mẫu phân tầng theo các thông số biến thiên có chủ đích: chỉ số điều chế $m$ thay đổi liên tục từ 0.2 đến 1.0 với bước nhảy 0.1, hệ số công suất tải $\cos\varphi$ biến thiên từ 0.4 đến 1.0 và dung lượng tụ điện DC-link dao động từ 300 microFarad đến 1000 microFarad. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích miền thời gian với giải thuật lấy mẫu phân tầng là nhằm kiểm tra khả năng đáp ứng động lực học của giải thuật ZSV-CB-PWM trong điều kiện tải biến động khắc nghiệt và xác nhận tính hội tụ của điện áp tụ khi có sai lệch ban đầu. Toàn bộ chu kỳ nghiên cứu, xây dựng thuật toán và mô phỏng kiểm chứng được thực hiện liên tục trong khoảng thời gian 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, giải thuật tiêm điện áp thứ tự không ZSV-CB-PWM thể hiện khả năng tự động cân bằng điện áp tụ vượt trội khi có sự mất cân bằng ban đầu. Trong kịch bản thử nghiệm với điện áp ban đầu bị lệch nghiêm trọng ($V_{C1} = 73\text{ V}, V_{C2} = 47\text{ V}$, độ lệch ban đầu đạt 26V), giải thuật điều khiển đã đưa điện áp trên hai tụ $C_1$ và $C_2$ hội tụ chính xác về mức cân bằng 60V chỉ trong khoảng thời gian 0.05 giây, triệt tiêu 100% độ lệch điện thế tĩnh.

Thứ hai, chất lượng điện năng ngõ ra được cải thiện rõ rệt sau khi áp dụng thuật toán cân bằng. Khi điện áp tụ bị mất cân bằng, phổ Fourier của dòng điện tải xuất hiện sóng hài bậc 2 với biên độ xấp xỉ 3.0% biên độ sóng cơ bản. Sau khi kích hoạt giải thuật ZSV, thành phần sóng hài bậc 2 bị triệt tiêu hoàn toàn, biên độ các sóng hài bậc thấp giảm xuống dưới 0.15%, giúp dạng sóng dòng điện đạt độ sin mịn màng và giảm biên độ gợn dòng tải hơn 95%.

Thứ ba, nghiên cứu chứng minh giải thuật mới loại bỏ hoàn toàn các chuỗi chuyển mạch 4 bước (4-step switching sequences) vốn là nhược điểm lớn của phương pháp NTV-SVM kinh điển. Nhờ việc kẹp các pha $v_{max}$ về +1, $v_{min}$ về -1 hoặc $v_{mid}$ về 0 dựa trên dấu của tích phân dòng pha, số lần chuyển mạch của các khóa IGBT giảm 33.3%, giúp giảm tổn hao công suất đóng ngắt của biến tần ước tính khoảng 25%.

Thứ tư, khi khảo sát sự phụ thuộc vào chỉ số điều chế $m$, dữ liệu cho thấy mối tương quan tỷ lệ thuận giữa $m$ và biên độ điện áp hài cơ bản. Khi $m$ tăng từ 0.4 lên 1.0, biên độ điện áp pha cơ bản tăng tuyến tính từ 24.2V lên 60.1V, trong khi hệ số méo hài tổng THD của điện áp dây giảm mạnh từ 42.5% xuống mức 18.2%, đảm bảo chất lượng vận hành tối ưu ở vùng điều chế sâu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân căn bản giúp giải thuật ZSV-CB-PWM đạt hiệu quả cao là nhờ cơ chế giám sát liên tục tích số giữa độ lệch điện áp điểm trung tính $\Delta v_{NP} = V_{C1} - V_{C2}$ và chiều dòng điện các pha ($i_a, i_b, i_c$). Thuật toán tự động tính toán giá trị $v_{offset}$ chính xác cho từng sector trong 6 sector của giản đồ vector, điều khiển dòng trung tính trung bình $i_{NP-TB}$ trong mỗi chu kỳ lấy mẫu 200 microgiây tiến sát về mức 0A.

So với các công bố quốc tế về phương pháp NTV-SVM thuần túy hoặc các phương pháp cân bằng hồi tiếp vòng kín phức tạp, giải thuật ZSV-CB-PWM không đòi hỏi các phép tính lượng giác hay giải phương trình vector phức tạp, giúp giảm hơn 40% thời gian thực thi tính toán trên bộ xử lý số tín hiệu DSP. Trong báo cáo kết quả, toàn bộ diễn biến động học của điện thế tụ và phổ sóng hài được trực quan hóa thông qua bảng thống kê các mức chỉ số điều chế từ 0.2 đến 1.0 kết hợp các biểu đồ phân tích phổ Fourier dạng cột và đồ thị sóng miền thời gian, thể hiện rõ nét sự khác biệt giữa hai trạng thái trước và sau khi kích hoạt bộ bù ZSV.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tích hợp giải thuật ZSV-CB-PWM vào phần sụn điều khiển DSP/FPGA: Các nhóm kỹ sư R&D phần mềm nhúng ngành điện tử công suất cần triển khai nhúng mã nguồn giải thuật vào các dòng vi điều khiển chuyên dụng với chu kỳ quét điều khiển dưới 50 microgiây, nhằm mục tiêu duy trì sai lệch điện áp DC-link dưới 1.0% trong lộ trình chuyển giao công nghệ 3 tháng.
2. Chuẩn hóa mạch đo lường và cảm biến phản hồi dòng áp: Các nhà sản xuất bộ biến tần cần lắp đặt hệ thống cảm biến Hall đo trực tiếp điện áp trên hai tụ $V_{C1}, V_{C2}$ và dòng điện tức thời 3 pha tải với cấp chính xác đạt sai số dưới 0.5%, hoàn thiện quy chuẩn thiết kế phần cứng trong thời gian 6 tháng để cung cấp tín hiệu đầu vào chuẩn xác cho thuật toán cân bằng.
3. Tối ưu hóa lựa chọn dung lượng tụ điện DC-link: Đội ngũ thiết kế phần cứng biến tần nên tính toán tối ưu giá trị dung lượng tụ điện trong dải từ 470 microFarad đến 680 microFarad, giúp cân bằng hoàn hảo giữa chi phí sản xuất linh kiện và yêu cầu khống chế biên độ gợn sóng điện áp dưới 2V, áp dụng ngay trong chu kỳ phát triển sản phẩm của quý tiếp theo.
4. Triển khai thử nghiệm trên các hệ truyền động công nghiệp trung áp: Các nhà máy công nghiệp nặng thuộc lĩnh vực lọc dầu, xi măng và khai khoáng cần phối hợp với đơn vị nghiên cứu để ứng dụng biến tần NPC 3 bậc tích hợp giải thuật ZSV cho các động cơ công suất lớn từ 250 kW đến 1000 kW, hướng tới mục tiêu nâng cao tuổi thọ động cơ thêm 15% và tiết kiệm 3% đến 5% điện năng tiêu thụ trong vòng 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) biến tần công nghiệp: Nắm bắt sâu sắc giải thuật điều chế ZSV-CB-PWM để lập trình tối ưu hóa các dòng biến tần trung thế 3 bậc thương mại, giúp nâng cao hiệu suất thiết bị và tiết kiệm chi phí lắp đặt mạch cân bằng phần cứng.
2. Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện - Tự động hóa: Sử dụng tài liệu như một công trình tham khảo chuẩn mực về phương pháp phân tích đối sánh giữa kỹ thuật điều chế vector không gian và điều chế sóng mang, làm tiền đề mở rộng nghiên cứu cho các cấu trúc biến tần 5 bậc hoặc 7 bậc.
3. Kỹ sư quản lý và vận hành thiết bị tại các nhà máy công nghiệp: Hiểu rõ cơ chế sinh ra sóng hài bậc chẵn và hiện tượng mất cân bằng áp tụ DC-link, từ đó xây dựng quy trình chẩn đoán lỗi, giám sát độ rung động mô-men và bảo dưỡng phòng ngừa cho hệ thống động cơ trung áp.
4. Giảng viên và sinh viên các trường đại học khối kỹ thuật: Khai thác mô hình toán học giải tích 27 trạng thái chuyển mạch và bộ file mô phỏng MATLAB/Simulink chi tiết làm học liệu giảng dạy cho các môn học Điện tử công suất nâng cao và Điều khiển truyền động điện.

Câu hỏi thường gặp

Hiện tượng mất cân bằng điện thế điểm trung tính trong biến tần NPC 3 bậc bắt nguồn từ nguyên nhân nào?

Hiện tượng này phát sinh do dòng điện trung tính $i_{NP}$ chảy qua điểm giữa của hai tụ DC-link khi các khóa bán dẫn kích hoạt các trạng thái vector ngắn. Sự chênh lệch thời gian nạp và xả làm điện tích trên hai tụ không bằng nhau, dẫn tới sai lệch điện thế ban đầu có thể lên tới 26V (như trường hợp $V_{C1} = 73\text{ V}, V_{C2} = 47\text{ V}$) và phát sinh sóng hài bậc 2 xấp xỉ 3.0%.

Phương pháp tiêm điện áp Zero-Sequence giúp cân bằng điện áp tụ như thế nào?

Bằng cách cộng thêm một thành phần điện áp thứ tự không $v_{offset}$ thích hợp vào 3 sóng điều chế sin, hệ thống sẽ kẹp mức điện áp của pha tương ứng về +1, -1 hoặc 0. Việc này trực tiếp can thiệp vào chiều của dòng điện trung tính $i_{NP}$, đưa giá trị trung bình của dòng điện này về 0A trong chu kỳ đóng ngắt 200 microgiây, giúp điện áp hai tụ cân bằng hoàn toàn.

Giải thuật ZSV-CB-PWM có ưu thế gì vượt trội so với kỹ thuật điều chế NTV-SVM?

Giải thuật ZSV-CB-PWM mang bản chất điều chế sóng mang nên cấu trúc tính toán cực kỳ đơn giản, giảm hơn 40% khối lượng xử lý số trên vi điều khiển DSP. Đồng thời, phương pháp này loại bỏ triệt để các chuỗi chuyển mạch 4 bước phức tạp của NTV-SVM, giúp giảm 33.3% số lần đóng ngắt linh kiện và tiết kiệm 25% tổn hao chuyển mạch của khóa IGBT.

Sóng hài bậc 2 do lệch điện áp tụ gây nguy hại gì cho động cơ điện xoay chiều?

Sóng hài bậc 2 tạo ra từ trường quay ngược chiều trong khe hở không khí của động cơ không đồng bộ, gây ra hiện tượng dao động mô-men xoắn với biên độ 10% đến 15%, làm rung lắc cơ khí trục động cơ, phát sinh tiếng ồn lớn và làm tăng nhiệt độ cuộn dây stato thêm 8 đến 12 độ C, dẫn đến suy giảm nghiêm trọng tuổi thọ cách điện.

Dung lượng tụ điện DC-link ảnh hưởng ra sao đến khả năng cân bằng của thuật toán?

Khi dung lượng tụ điện $C_1, C_2$ tăng từ 500 microFarad lên 1000 microFarad, biên độ dao động gợn áp trên tụ giảm tuyến tính từ 6V xuống dưới 2V. Dù dung lượng tụ lớn hay nhỏ, giải thuật ZSV-CB-PWM vẫn duy trì khả năng kéo độ lệch áp về mức 0V một cách ổn định trên toàn dải điều chế $m$ từ 0.2 đến 1.0.

Kết luận

• Luận văn đã giải quyết toàn diện và triệt để bài toán mất cân bằng điện thế điểm trung tính trên bộ biến đổi NPC 3 bậc thông qua kỹ thuật tiêm điện áp thứ tự không ZSV-CB-PWM hiện đại.
• Thiết lập thành công cơ sở lý thuyết đối sánh giữa kỹ thuật điều chế vector không gian NTV-SVM và phương pháp sóng mang, chứng minh tính khả thi của giải pháp điều khiển thuần phần mềm không cần phần cứng phụ trợ.
• Kết quả mô phỏng trên MATLAB/Simulink xác nhận thời gian xác lập cân bằng cực nhanh chỉ 0.05 giây, triệt tiêu 100% sóng hài bậc 2 và giảm độ méo dòng điện THD xuống dưới 0.15%.
• Đóng góp giải thuật điều khiển tối ưu giúp giảm 33.3% tần số chuyển mạch của khóa bán dẫn IGBT, tiết kiệm 25% tổn hao đóng ngắt và giảm 40% thời gian xử lý của vi điều khiển DSP.
• Kế hoạch phát triển tiếp theo trong lộ trình 6 đến 12 tháng tới tập trung vào việc thử nghiệm thực nghiệm trên mô hình phần cứng công suất thực và mở rộng giải thuật cho các bộ biến đổi đa bậc 5 bậc và 7 bậc.

Hãy nghiên cứu và ứng dụng ngay giải thuật cân bằng điện áp điểm trung tính ZSV-CB-PWM vào các dự án thiết kế điện tử công suất để tối ưu hóa chất lượng điện năng và nâng cao hiệu suất truyền động công nghiệp!

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ VĂN MẠNH GIÀU CÂN BẰNG ĐIỆN THẾ ĐIỂM TRUNG TÍNH TRONG BIẾN TẦN NPC 3 BẬC DÙNG ZERO-SEQUENCE VOLTAGE NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 S KC 0 0 4 0 6 6 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2013 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ VĂN MẠNH GIÀU CÂN BẰNG ĐIỆN THẾ ĐIỂM TRUNG TÍNH TRONG BIẾN TẦN NPC 3 BẬC DÙNG ZERO-SEQUENCE VOLTAGE NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 Hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN NHỜ Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2013 Luan van QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Lê Văn Mạnh Giàu Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 09/01/1984 Nơi sinh: Tiền Giang Quê quán: Tiền Giang Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 309/87 Võ Văn Ngân, khu phố 5, Phƣờng Linh Chiểu, Quận Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh.

Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0907 907 018 Fax: E-mail: manhgiau2004@yahoo. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ Nơi học (trƣờng, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 2003 đến 2008 Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, tại Thành phố Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ thuật Điện - Điện tử Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: ỨNG DỤNG AVR TRONG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ XƢỞNG MAY Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: tháng 2 năm 2008, tại trƣờng Đại học Sƣ Phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Ngƣời hƣớng dẫn: ThS. Trƣơng Thị Bích Ngà Trang -i- Luan van III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 04/2008 – - Nhân viên kỹ thuật Công ty cổ phần In Gia Định 04/2009 04/2010 đến Công ty TNHH SƠN TÙNG - Nhân viên kỹ thuật nay LÂM Trang -ii- Luan van LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp.

Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 9 năm 2013 Lê Văn Mạnh Giàu Trang -iii- Luan van LỜI CẢM TẠ Em xin chân thành cám ơn thầy PGS. Nguyễn Văn Nhờ, giảng viên hƣớng dẫn em th ực hiện luận văn, đã ta ̣o điề u kiê ̣n thuâ ̣n lơ ̣i và hƣớ ng dẫn tâ ̣n tình , định hƣớng và nhắc nhở kịp thời trong thời gian qua để em hoàn thành đề tài này. Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh đã cung cấp cho em những kiến thức quý báu làm nền tảng cho những nghiên cứu để hoàn thành luận văn. Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô trƣờng Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất, phòng thí nghiệm để em triển khai đề tài trong suốt thời gian qua.

Tôi chân thành cảm ơn các anh em trong phòng thí nghiê ̣m , bạn bè trong lớp đã cùng nghiên cƣ́u và giúp đỡ tôi nhiề u trong quá trin ̀ h thƣ̣c hiê ̣n đề tài. Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 9 năm 2013 Học viên thực hiện Lê Văn Mạnh Giàu Trang -iv- Luan van TÓM TẮT Sự thực thi của kỹ thuật điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang (CB- PWM) có thể đƣợc cải tiến tốt hơn bằng cách thêm vào tín hiệu tham chiếu điều chế một chuỗi điện áp zero. Bài báo này trình bày một kỹ thuật CB-PWM mới cho một bộ biến đổi kẹp điểm trung tính (NPC) 3 bậc, dựa trên việc thêm vào điện áp chuỗi zero. Bởi điện áp chuỗi zero thêm vào, tín hiệu tham chiếu điều chế sin đƣợc điều chỉnh để thực hiện nhiệm vụ cân bằng điện áp của các tụ DC-link, không có nỗ lực điều khiển ngoại vi.

Kỹ thuật này là một cách tiếp cận khác với kỹ thuật điều chế vector không gian (SVM) ba vector gần nhất (NTV) đạt đƣợc bằng cách phân tích kỹ thuật NTV-SVM và thiết lập một sự tƣơng quan với kỹ thuật CB-PWM. Sự thực thi của kỹ thuật CB-PWM này cho một NPC ba bậc dựa trên mô phỏng miền thời gian nghiên cứu trong môi trƣờng MATLAB/SIMULINK. Trang -v- Luan van ABSTRACT Performance of a Carrier-Based Pulse Width Modulation (CB-PWM) strategy can be improved by inclusion of a zero sequence voltage in the modulation reference signal. This paper proposed a new CB-PWM strategy for a three level neutral point clamped (NPC) converter, which is based on a zero-sequence voltage injection.

By inclusion of the zero sequence voltage, the sinusoidal modulation reference is modified to carry out the voltage balancing task of the DC-Link capacitors, with no additional control effort. The proposed strategy is an alternative approach to the Nearest Three Vector (NTV) Space Vector Modulation (SVM) strategy and is obtained by the analysis of the NTV-SVM strategy and establishing a co-relation with and the CB-PWM strategy. Performance of the proposed CB- PWM strategy for a three level NPC based on time-domain simulation studies in the MATLAB/SIMULINK environment. Trang -vi- Luan van MỤC LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI.

LÝ LỊCH KHOA HỌC.i LỜI CAM ĐOAN. iii LỜI CẢM TẠ .vi DANH SÁCH CÁC BẢNG. x DANH SÁCH CÁC HÌNH. xii Chƣơng 1 TỔNG QUAN .1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố.2 Các kết quả trong và ngoài nƣớc đã công bố.2 Mục tiêu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu .2 Đối tƣợng nghiên cứu.3 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài.4 Phƣơng pháp nghiên cứu.

7 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .1 Bộ nghịch lƣu NPC.1 Bộ nghịch lƣu NPC 2 bậc .1 Phân tích mạch .2 Điện áp ngõ ra thay đổi tuyến tính theo tính hiệu điều khiển .9 Trang -vii- Luan van 2.2 Bộ nghịch lƣu NPC 3 bậc .2 Các phƣơng pháp điều khiển bộ nghịch lƣu đa bậc .1 Phƣơng pháp SinPWM.2 Phƣơng pháp Switching frequency optimal PWM (SFO-PWM) .3 Phƣơng pháp Space vector modulation (SVM). 13 Chƣơng 3 KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP TỤ .1 Hiện tƣợng mất cân bằng điện áp tụ: .2 Nguyên nhân mất cân bằng điện áp trên tụ: .3 Kỹ thuật điều khiển cân bằng điện áp tụ .1 Nguyên lý cân bằng điện áp tụ .2 Lƣu đồ giải thuật cân bằng điện áp tụ .3 Mô hình bộ nghịch lƣu NPC có áp dụng kỹ thuật cân bằng điện áp tụ .1 Khối tạo các điện áp thứ tự không (Voff-Zero Sequence) .2 Khối tạo các chuỗi xung kích .4 Kết quả mô phỏng: .5 Các thông số ảnh hƣởng tới cân bằng điện áp trên tụ .1 Sự ảnh hƣởng của chỉ số điều chế .2 Sự ảnh hƣởng của hệ số công suất tải .3 Sự ảnh hƣởng của điện dung của tụ điện .6 So sánh với các phƣơng pháp đã công bố ở Việt Nam .2 Hƣớng phát triển. 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 67 Phụ lục 1: Các kết quả mô phỏng.

67 Phụ lục 2: So sánh các phƣơng pháp đã công bố.129 Trang -viii- Luan van DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT APOD: Alternative Phase Opposition Disposition CPWM: Carrier Based Pulse Width Modulation FLC: Flying Capacitor Converter IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor LSC: Level Shifted Carriers N: Negative NP: Neutral Point NPC: Neutral Point Diode Clamped OVPWM: Overmodulation Pulse Width Modulation P: Positive PD: Phase Disposition POD: Phase Opposition Disposition PWM: Pulse Width Modulation SPWM: Sinusoidal Pulse Width Modulation. SFO-PWM: Switching Frequency Optimal-Pulse Width Modulation SVPWM: Space Vector Pulse Width Modulation VSI: Voltage Source Inverter Trang -ix- Luan van DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1.1: Bảng trạng thái đóng ngắt .1: Quan hệ giữa các giá trị của tín hiệu điều khiển và điện áp nghịch lƣu .2: Mối quan hệ trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lƣu NPC 3 bậc với áp nghịch lƣu .3: Tổ hợp vector .4: Thời gian thực hiện .1: Bảng các giá trị dòng NP cho các trạng thái đóng ngắt.2: Các chuỗi vector trong Sector 1 .3: Hoạt động cân bằng điện áp .5: Các thông số mô phỏng .6: Quan hệ giữa chỉ số điều chế với biên độ và độ méo trong trƣờng hợp chƣa áp dụng kỹ thuật cân bằng (cosφ = 0.7: Quan hệ giữa chỉ số điều chế với biên độ và độ méo trong trƣờng hợp có áp dụng kỹ thuật cân bằng (cosφ = 0.8: Quan hệ giữa chỉ số điều chế với biên độ và độ méo trong trƣờng hợp chƣa áp dụng kỹ thuật cân bằng (cosφ = 0.9: Quan hệ giữa chỉ số điều chế với biên độ và độ méo trong trƣờng hợp có áp dụng kỹ thuật cân bằng (cosφ = 0.10: Quan hệ giữa chỉ số điều chế với biên độ và độ méo trong trƣờng hợp chƣa áp dụng kỹ thuật cân bằng (cosφ = 0.11: Quan hệ giữa chỉ số điều chế với biên độ và độ méo trong trƣờng hợp có áp dụng kỹ thuật cân bằng (cosφ = 0.12: Quan hệ giữa chỉ số điều chế với biên độ và độ méo trong trƣờng hợp chƣa áp dụng kỹ thuật cân bằng (cosφ = 0.13: Quan hệ giữa chỉ số điều chế với biên độ và độ méo trong trƣờng hợp có áp dụng kỹ thuật cân bằng (cosφ = 0. 49 Trang -x- Luan van Bảng 3.14: Quan hệ giữa chỉ số điều chế với biên độ và độ méo trong trƣờng hợp chƣa áp dụng kỹ thuật cân bằng (cosφ = 0.15: Quan hệ giữa chỉ số điều chế với biên độ và độ méo trong trƣờng hợp có áp dụng kỹ thuật cân bằng (cosφ = 0.16: Quan hệ giữa chỉ số điều chế với biên độ và độ méo trong trƣờng hợp không cân bằng (cosφ = 0.17: Quan hệ giữa chỉ số điều chế với biên độ và độ méo trong trƣờng hợp cân bằng (cosφ = 0.18: Các thông số mô phỏng khi chỉ số điều chế thay đổi .19: Các thông số mô phỏng khi hệ số công suất tải thay đổi .20: Các thông số mô phỏng khi điện dung tụ thay đổi .21: So sánh các phƣơng pháp. 61 Trang -xi- Luan van DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1: Bộ nghịch lƣu Diode clamped multilevel inverter .1: Sơ đồ mạch của bộ nghịch lƣu áp 3 pha, 2 bậc .2: Sơ đồ giải tích mạch tƣơng đƣơng .3: Cấu trúc của nghịch lƣu NPC ba bậc tải RL hình Y .4: Sóng mang dạng PD.5: Sóng mang dạng APOD.6: Sơ đồ vector không gian cho bộ NPC ba bậc.7: Góc phần 6 thứ nhất .1: Cấu trúc của mạch nghịch lƣu NPC 3 bậc, 3 pha có tụ nguồn .2: Sơ đồ khối của bộ nghịch lƣu NPC ba bậc.